CN111365201A - 一种大型风力发电机组主轴系统 - Google Patents

一种大型风力发电机组主轴系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型风力发电机组主轴系统，属于风力发电领域，包括风电主轴，风电主轴外套设有主轴壳体，风电主轴上套设有动静压滑动轴承，所述风电主轴上设有主轴挡肩，动静压滑动轴承的外侧设有主轴壳体，主轴壳体上设有进油通道和壳体挡肩，主轴挡肩和壳体挡肩之间设有推力瓦，进油通道与动静压滑动轴承和推力瓦相连接。动静压滑动轴承的外层为第一钢环，中部为第一铜合金层，内表面为第一摩擦层和涂层。本发明所有轴承为复合动静压轴承，由三部分构成，外层为钢可以增加整个轴承的刚性和强度，铜合金可以减小弹性模量，容易变形，减小轴承偏载，有自适应功能。采用了二级压力控制阀能根据风速的大小选择合适的油压，确保轴承有合适的承载力。

Description

一种大型风力发电机组主轴系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种大型风力发电机组主轴系统。
背景技术
风电机组常年在野外工作，工作条件恶劣、温度和湿度变化较大、受载情况复杂，因而要求风电轴承具有良好的耐冲击性、密封和润滑性、长寿命和高可靠性。风电轴承是风电机组的重要支承部件，对整个机组的寿命、性能和可靠性起着非常重要的作用。
风电机组中主轴承受的载荷来源主要有风机叶片及轮毂的重力载荷、主轴的自重载荷、主轴轴承的支撑力和推止力、风通过叶片以及轮毂作用在主轴上的惯性载荷及气动载荷等，因此主轴需要承受径向力和风力产生的轴向力。除此之外，由于风机工作环境的特殊性，随着风速的骤变，还会产生轴向冲击。风机主轴轴承内圈通过过盈配合与风机主轴安装在一起，轴承外圈固定在机架的专用支座上，所承受的轴向力由主轴的轴肩施加在轴承内圈的端面上
在运转轴承的滚子中一般只有一部分同时承受载荷，而这部分滚子所在的区域我们称之为轴承的承载区。轴承承受的载荷大小，运行游隙的大小都会对承载区产生影响。如果承载区范围太小，滚子在实际的运转中则容易发生打滑现象。
风电齿轮箱输入轴的转速一般在10-20转/分钟,由于转速比较低，导致输入轴轴承也就是行星架支撑轴承的油膜形成往往比较难。
随着风电机组单机容量和主轴直径越来越大以及权衡考虑机组性价比，主轴轴承价格非常高。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大型风力发电机组主轴系统。
本发明的技术方案如下：一种大型风力发电主轴系统，包括风电主轴和主轴壳体，所述主轴壳体设在风电主轴的外部，所述风电主轴上设有主轴挡肩，所述主轴壳体上设有壳体挡肩，所述风电主轴和主轴壳体之间设有动静压滑动轴承，所述主轴壳体上设有进油通道，所述进油通道与动静压滑动轴承相连接，所述主轴壳体和风电主轴的端部设有端盖。
所述风电主轴与主轴壳体之间设有动静压止推滑动轴承，所述主轴挡肩和壳体挡肩之间设有推力瓦，所述推力瓦通过销轴固定在壳体挡肩上，所述进油通道与推力瓦相连接。
所述动静压滑动轴承和止推动静压滑动轴承均分为三层，其中外层为第一钢环，中部为第一铜合金层，内表面为第一摩擦层和涂层，所述止推动静压滑动轴承与主轴挡肩的接触面上设有第一摩擦层和涂层，所述动静压滑动轴承和止推动静压滑动轴承上设有多个第一进油腔和环形凹槽，各进油腔通过环形凹槽相互连通，动静压滑动轴承上的第一进油腔的一端与动静压滑动轴承与风电主轴的配合间隙相连接，另一端与进油通道相连接，止推动静压滑动轴承上的第一进油腔的一端与止推动静压滑动轴承与风电主轴的配合间隙相连接，另一端与进油通道相连接。
所述主轴壳体上设有两个主轴挡肩，所述壳体挡肩位于两个主轴挡肩之间，所述主轴挡肩与壳体挡肩之间分别设有一个推力瓦，两个推力瓦分别位于主轴挡肩的两侧，所述推力瓦通过销轴固定在壳体挡肩上，所述进油通道与推力瓦相连接，所述风电主轴和主轴壳体之间的动静压滑动轴承有两个，分别设在对称设置在壳体挡肩的两侧。
所述动静压滑动轴承为分体式，包括上轴承和下轴承，上轴承和下轴承之间通过螺栓和定位销相互连接。
所述动静压滑动轴承分为三层，所述动静压滑动轴承的外层为第一钢环，中部为第一铜合金层，内表面为第一摩擦层和涂层，所述动静压滑动轴承上设有第一进油腔和环形凹槽，所述第一进油腔的一端与动静压滑动轴承与风电主轴的配合间隙相连接，另一端与进油通道相连接。
所述推力瓦分为三层，所述推力瓦的外层为第二钢环，中部为第二铜合金层，内表面为第二摩擦层和涂层，所述推力瓦上设有第二进油腔，所述第二进油腔与进油通道相连接。
所述推力瓦与主轴挡肩的接触面采用内凹微量弧形修形。
所述进油通道与液压控制系统相连接，所述液压控制系统包括油箱，油泵，冷却器，滤油器，二级压力控制阀，第一溢流阀和第一润滑油出口，所述油箱与油泵相连，所述油泵与冷却器相连，所述冷却器与滤油器相连，所述滤油器与二级压力控制阀相连，所述二级压力控制阀与第一润滑油出口相连，所述第一润滑油出口与进油通道相连，所述二级压力控制阀与第一润滑油出口之间连有第一溢流阀，所述二级压力控制阀与第二润滑油出口相连，所述第二润滑油出口与齿轮箱相连，所述二级压力控制阀与第二润滑油出口之间连有第二溢流阀。
所述风电主轴的前端连接有桨毂，所述主轴壳体和安装支架为一体，所述风电主轴的后端通过螺栓和销子与行星架相连，所述行星架与齿轮箱相连。
本发明的动静压滑动轴承和推力瓦为复合轴承由三部分构成，外层为钢可以增加整个轴承的刚性和强度，铜合金可以减小弹性模量，容易弹性变形，减小轴承偏载，有自适应功能，动静压滑动轴承相比于滚动轴承体积更小，成本更低。二级压力控制阀可以控制产生中压和高压两种油压，能根据风速的大小选择合适的油压，当低风速时用中压油，当高风速时用高压油，确保轴承有合适的承载力。动静压轴承的承载能力比滚动轴承大，比滚动轴承的安装尺寸小，成本原低于滚动轴承，可以避开使用进口轴承，使轴承国产化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是图2的侧视图；
图5是现有的单体动静压滑动轴承的受载示意图；
图6是本发明动静压滑动轴承的受载示意图；
图7是本发明止推动静压滑动轴承的结构示意图；
图8是本发明动静压滑动轴承的结构示意图；
图9是推力瓦的结构示意图；
图10是现有推力瓦的受力变形图；
图11是本发明推力瓦的修形示意图；
图12是一体式主轴壳体的结构示意图；
图13是分体式主轴壳体的结构示意图；
图14是分体式主轴壳体的结构示意图；
图15是液压控制系统的结构示意图；
图中：1-风电主轴，2-主轴壳体，3-动静压滑动轴承，4-推力瓦，5-行星架，6-行星轴，7-齿轮箱，8-桨毂，9-安装支架，10-端盖，11-进油通道，12-主轴挡肩，13-壳体挡肩，14-第一钢环，15-第一铜合金层，16-第一摩擦层和第一涂层，17-第一进油腔，18-第二钢环，19-第二铜合金层，20-第二摩擦层和第二涂层，21-第二进油腔，22-油箱，23-油泵，24-冷却器，25-滤油器，26-二级压力控制阀，27-第一润滑油出口，28-第一溢流阀，29-第二润滑油出口，30-第二溢流阀，31-止推动静压滑动轴承，32-上轴承，33-下轴承，34-上壳体，35-下壳体，36-螺栓。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图4、图5所示，一种大型风力发电主轴系统，包括风电主轴1和主轴壳体2，所述主轴壳体2设在风电主轴1的外部，所述风电主轴1上设有主轴挡肩12，所述主轴壳体2上设有壳体挡肩13，所述风电主轴1和主轴壳体2之间设有动静压滑动轴承3，所述主轴壳体2上设有进油通道11，所述进油通道11与动静压滑动轴承3相连接，所述主轴壳体2和风电主轴1的端部设有端盖10，所述风电主轴1与主轴壳体2之间设有止推动静压滑动轴承31，所述主轴挡肩12和壳体挡肩13之间设有推力瓦4，所述推力瓦4通过销轴固定在壳体挡肩13上，所述进油通道11与推力瓦4相连接。
如图7、图8所示，所述动静压滑动轴承3和止推动静压滑动轴承31均分为三层，其中外层为第一钢环14，中部为第一铜合金层15，内表面为第一摩擦层和涂层16，所述动静压滑动轴承3与主轴挡肩12的接触面上设有第一摩擦层和涂层16，所述动静压滑动轴承3和止推动静压滑动轴承31上设有第一进油腔17和环形凹槽，动静压滑动轴承3上的第一进油腔17的一端与动静压滑动轴承3与风电主轴1的配合间隙相连接，另一端与进油通道11相连接，止推动静压滑动轴承31上的第一进油腔17的一端与止推动静压滑动轴承31与风电主轴1的配合间隙相连接，另一端与进油通道11相连接。风电主轴1为整体空心铸件，风电主轴1两端由动静压止推径向动静压滑动轴承和动静压径向滑动轴承支撑以及低速推力瓦支撑径向力和轴向力，轴承外圆支撑在主轴壳体2上，推力瓦4在主轴挡肩12和主轴壳体挡肩13之间，推力瓦4间隙由设计计算和风载荷确定；风电主轴1的输入法兰端用端盖密封。如图12所示，所述主轴壳体2为一体式。
所述风电主轴1的前端连接有桨毂8，所述主轴壳体2和安装支架9为一体，所述安装支架9为圆形法兰。所述风电主轴1的后端通过螺栓17或销轴与行星架5相连（对于半直驱机组），所述行星架5上设有行星轴6，所述行星轴6与齿轮箱7相连，所述齿轮箱7与发电机相连接。所述风电主轴1的后端或者与发电机法兰相连接（对于直驱机组）。
如图1、图3、图4、图5所示，一种大型风力发电主轴系统，包括风电主轴1和主轴壳体2，所述主轴壳体2设在风电主轴1的外部，所述风电主轴1上设有主轴挡肩12，所述主轴壳体2上设有壳体挡肩13，所述风电主轴1和主轴壳体2之间设有动静压滑动轴承3，所述主轴壳体2上设有进油通道11，所述进油通道11与动静压滑动轴承3相连接，所述主轴壳体2和风电主轴1的端部设有端盖10，所述主轴壳体2上设有两个主轴挡肩12，所述壳体挡肩13位于两个主轴挡肩12之间，所述主轴挡肩12与壳体挡肩13之间分别设有一个推力瓦4，两个推力瓦4分别位于主轴挡肩13的两侧，所述推力瓦4通过销轴固定在壳体挡肩13上，所述进油通道11与推力瓦4相连接，所述风电主轴1和主轴壳体2之间的动静压滑动轴承3有两个，分别设在对称设置在壳体挡肩13的两侧。风电主轴1为整体空心铸件，风电主轴1两端由动静压径向滑动轴承支撑以及低速推力瓦支撑径向力和轴向力，轴承外圆支撑在主轴壳体2上，推力瓦4在主轴挡肩12和壳体挡肩13之间，推力瓦间隙由设计计算和风载荷确定；风电主轴的输入法兰端用端盖密封。所述主轴壳体2为一体式，装配时，先装上左侧的动静压滑动轴承，左侧的动静压滑动轴承为分体式，再装上推力瓦，然后装上主轴壳体，最后依次装上右侧的动静压滑动轴承和行星架，右侧的动静压滑动轴承为一体式。如图所13示，所述主轴壳体2为分体式，包括上壳体34和下壳体35，上壳体34和下壳体35通过螺栓相互连接，分体式的主轴壳体能确保能主轴壳体2的装配。
所述风电主轴1的前端连接有桨毂8，所述主轴壳体2和安装支架9为一体，所述安装支架9为圆形法兰。所述风电主轴1的后端通过螺栓17或销轴与行星架5相连（对于半直驱机组），所述行星架5上设有行星轴6，所述行星轴6与齿轮箱7相连，所述齿轮箱7与发电机相连接。所述风电主轴1的后端或者与发电机法兰相连接（对于直驱机组）。
如图7所示，所述止推动静压滑动轴承31分为三层，所述止推动静压滑动轴承31的外层为第一钢环14，中部为第一铜合金层15，内表面为第一摩擦层和涂层16，所述止推动静压滑动轴承31与主轴挡肩12的接触面上设有第一摩擦层和涂层16。摩擦层采用摩擦材料，例如可以是巴氏合金、聚四氟乙烯、复合材料等；涂层为增加摩擦性能的涂层，譬如钼基材料（二硫化钼）、聚四氟乙烯之类的，用于防止油膜过薄时产生的过度摩擦而造成的磨损，或者当液压系统出现故障时，能起到保护摩擦层的作用。止推动静压滑动轴承31的内表面具体方案可以为：1.铝锌合金为摩擦材料，钼基材料为涂层或者聚四氟乙烯为涂层；2.巴氏合金为摩擦材料，聚四氟乙烯为涂层。轴承外部为钢可以增加整个轴承的刚性和强度，铜合金是为了减小弹性模量，容易弹性变形，减小轴承偏载，有自适应功能。
如图8所示，所述动静压滑动轴承3分为三层，所述动静压滑动轴承3的外层为第一钢环14，中部为第一铜合金层15，内表面为第一摩擦层和涂层16。摩擦层采用摩擦材料，例如可以是巴氏合金、聚四氟乙烯、复合材料等；涂层为增加摩擦性能的涂层，譬如钼基材料（二硫化钼）、聚四氟乙烯之类的，用于防止油膜过薄时产生的过度摩擦而造成的磨损，或者当液压系统出现故障时，能起到保护摩擦层的作用。动静压滑动轴承3的内表面具体方案可以为：1.铝锌合金为摩擦材料，钼基材料为涂层或者聚四氟乙烯为涂层；2.巴氏合金为摩擦材料，聚四氟乙烯为涂层。轴承外部为钢可以增加整个轴承的刚性和强度，铜合金是为了减小弹性模量，容易弹性变形，减小轴承偏载，有自适应功能。
所述动静压滑动轴承3上设有多个第一进油腔和环形凹槽，各进油腔通过环形凹槽相互连通，所述第一进油腔的一端与动静压滑动轴承3与风电主轴1的配合间隙相连接，另一端与进油通道11相连接。动静压滑动轴承3采用低速动静压径向动静压滑动轴承，具有多个进油腔，可应付不同方向的弯矩和力。因为风向的不确定性，载荷的大小和方向也不确定，在高风速时用中油压，在低风速时用中油压。
如图7-图9所示，推力瓦4采用圆柱形低速动静压推力瓦，所述推力瓦4分为三层，所述推力瓦4的外层为第二钢环18，中部为第二铜合金层19，内表面为第二摩擦层和涂层20，所述推力瓦4上设有第二进油腔21，所述第二进油腔21与进油通道11相连接。钢可以增加推力瓦4的刚性和强度，铜合金可以减小弹性模量，容易弹性变形，减小偏载，有自适应功能，具有更好的承载力。现有的推力瓦4通常用钢制成，自适应能力差，承载力不强。
所述推力瓦4与主轴挡肩12的接触面采用内凹微量弧形修形。如图10所示，当推力瓦的本体全是钢时，在工作时，在静压状态下，由于支点面积比较小，推力瓦工作面是凸形的，即中间高，两边低，高压油容易泄漏，油膜压力不容易建立，耗能也大。如图11所示，当推力瓦的本体由铜合金和钢复合时，在工作时，在静压状态下，由于中间压力比较大，周边压力低，铜合金的弹性模量低，中间部位相对变形比较大，四周相对变形比较小；同时，接触面采用内凹微量弧形修形。则推力瓦工作面是凹形的，即中间高，两边低，高压油不容易泄漏，油膜压力容易建立，耗能也小。
如图15所示，所述进油通道11与液压控制系统相连接，所述液压控制系统包括油箱22，油泵23，冷却器24，滤油器25，二级压力控制阀26和润滑油出口27，所述油箱22与油泵23相连，所述油泵23与冷却器24相连，所述冷却器24与滤油器25相连，所述滤油器25与二级压力控制阀26相连，所述二级压力控制阀26与润滑油出口27相连，所述润滑油出口27与进油通道11相连，所述二级压力控制阀26与润滑油出口27之间连有溢流阀28。液压控制系统可以以风电齿轮箱箱体为油池，也可以外挂油箱，高压齿轮泵做油泵，冷却器为空冷或者水冷，过滤器为常规的过滤器，二级压力控制阀为电控，符合风电标准，二级压力控制阀控制两种油压（高压和中压），在控制阀进油口产生一个高压油和一个中压油，用于在风电机组启动时或工作时提供动静压轴承；在高风速时用高压油润滑轴承，在低风速时用中压油润滑轴承。在控制阀出油口每个润滑油口带节流，带溢流阀，产生一个低压油，在机组在正常运行时润滑齿轮箱的轴承和齿轮。当风电机组受到高风速影响时，二级压力控制阀26会产生高压油通过进油通道11分别进入动静压滑动轴承3的第一进油腔17和推力瓦4的第二进油腔21，之后再分别进入动静压滑动轴承与风电主轴1之间、推力轴承4与风电主轴1之间形成油膜起到抗冲击、润滑的作用。当风电机组受到低风速影响时，二级压力控制阀20会产生中压油，这样轴承外圈和轴承内圈的配合间隙大小合适，降低能耗。溢流阀28产生低压油，在机组在正常运行时润滑齿轮箱的轴承和齿轮。

Claims (10)

1.一种大型风力发电机组主轴系统，包括风电主轴（1）和主轴壳体（2），其特征在于：所述主轴壳体（2）设在风电主轴（1）的外部，所述风电主轴（1）上设有主轴挡肩（12），所述主轴壳体（2）上设有壳体挡肩（13），所述风电主轴（1）和主轴壳体（2）之间设有动静压滑动轴承（3），所述主轴壳体（2）上设有进油通道（11），所述进油通道（11）与动静压滑动轴承（3）相连接，所述主轴壳体（2）和风电主轴（1）的端部设有端盖（10）。
2.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述风电主轴（1）与主轴壳体（2）之间设有止推动静压滑动轴承（31），所述主轴挡肩（12）和壳体挡肩（13）之间设有推力瓦（4），所述推力瓦（4）通过销轴固定在壳体挡肩（13）上，所述进油通道（11）与推力瓦（4）相连接。
3.如权利要求2所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述动静压滑动轴承（3）和止推动静压滑动轴承（31）均分为三层，其中外层为第一钢环（14），中部为第一铜合金层（15），内表面为第一摩擦层和涂层（16），所述止推动静压滑动轴承（31）与主轴挡肩（12）的接触面上设有第一摩擦层和涂层（16），所述动静压滑动轴承（3）和止推动静压滑动轴承（31）上设有多个第一进油腔（17）和环形凹槽，动静压滑动轴承（3）上的第一进油腔（17）的一端与动静压滑动轴承（3）与风电主轴（1）的配合间隙相连接，另一端与进油通道（11）相连接，止推动静压滑动轴承（31）上的第一进油腔（17）的一端与止推动静压滑动轴承（31）与风电主轴（1）的配合间隙相连接，另一端与进油通道（11）相连接。
4.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述主轴壳体上设有两个主轴挡肩（12），所述壳体挡肩（13）位于两个主轴挡肩（12）之间，所述主轴挡肩（12）与壳体挡肩（13）之间分别设有一个推力瓦（4），所述推力瓦（4）通过销轴固定在壳体挡肩（13）上，所述进油通道（11）与推力瓦（4）相连接，所述风电主轴（1）和主轴壳体（2）之间的动静压滑动轴承（3）有两个，分别设在对称设置在壳体挡肩（13）的两侧。
5.如权利要求4所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述动静压滑动轴承（3）为分体式，包括上轴承（32）和下轴承（33），上轴承（32）和下轴承（33）之间通过螺栓相互连接。
6.如权利要求4所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述动静压滑动轴承（3）分为三层，所述动静压滑动轴承（3）的外层为第一钢环（14），中部为第一铜合金层（15），内表面为第一摩擦层和涂层（16），所述动静压滑动轴承（3）上设有第一进油腔（17）和环形凹槽，所述第一进油腔（17）的一端与动静压滑动轴承（3）与风电主轴（1）的配合间隙相连接，另一端与进油通道（11）相连接。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述推力瓦（4）分为三层，所述推力瓦（4）的外层为第二钢环（18），中部为第二铜合金层（19），内表面为第二摩擦层和涂层（20），所述推力瓦（4）上设有第二进油腔（21），所述第二进油腔（21）与进油通道（11）相连接。
8.如权利要求7所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述推力瓦（4）与主轴挡肩（12）的接触面采用内凹微量弧形修形。
9.如权利要求1-6任意一项所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述进油通道（11）与液压控制系统相连接，所述液压控制系统包括油箱（22），油泵（23），冷却器（24），滤油器（25），二级压力控制阀（26），第一溢流阀（28）和第一润滑油出口（27），所述油箱（22）与油泵（23）相连，所述油泵（23）与冷却器（24）相连，所述冷却器（24）与滤油器（25）相连，所述滤油器（25）与二级压力控制阀（26）相连，所述二级压力控制阀（26）与第一润滑油出口（27）相连，所述第一润滑油出口（27）与进油通道（11）相连，所述二级压力控制阀（26）与第一润滑油出口（27）之间连有第一溢流阀（28），所述二级压力控制阀（26）与第二润滑油出口（29）相连，所述第二润滑油出口（29）与齿轮箱（7）相连，所述二级压力控制阀（26）与第二润滑油出口（29）之间连有第二溢流阀（30）。
10.如权利要求1-6任意一项所述的一种大型风力发电机组主轴系统，其特征在于：所述风电主轴（1）的前端连接有桨毂（8），所述主轴壳体（2）和安装支架（9）为一体，所述风电主轴（1）的后端通过螺栓和销子与行星架（5）相连，所述行星架（5）与齿轮箱（7）相连。
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CN117477854A (zh) * 2023-12-26 2024-01-30 常州优谷新能源科技股份有限公司 一种适用于风电半直驱机组的发电机

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